탭에서 멀어질수록 뜨거워지는 셀 — 대면적(장폭) 셀의 전류·온도 불균일은 어디서 오나

셀을 길고 넓게 키우면 부품 수는 줄지만, 셀 안에서 전류와 열이 고르게 퍼지지 않는 문제가 커진다. 탭에서 멀어질수록 무엇이 달라지는지, 그리고 이 문제를 특허가 어떻게 울타리 치고 있는지 정리한다.

① 무엇이 화제인가

대면적 셀에서 진짜 문제는 평균 온도가 아니라 셀 한 장 안의 온도 편차다. 전류가 탭까지 이동해야 하는 거리가 길어질수록, 전극의 어느 부분은 과로하고 어느 부분은 쉬게 된다.

업계 상황부터 보자. 전기차 팩과 에너지저장장치(ESS, Energy Storage System) 모두에서 셀을 크게 만들어 개수를 줄이려는 흐름이 뚜렷하다. 셀 개수가 줄면 용접점, 버스바, 센서 배선이 함께 줄기 때문이다. 길이가 600mm를 넘는 장폭(長幅) 셀을 팩에 채워 넣는 구성을 청구한 특허도 이미 등록되어 있다[4].

긴장 요인은 셀 내부에 있다. 전극은 얇은 금속박, 즉 집전체(current collector) 위에 활물질을 바른 구조다. 전자는 반응이 일어난 자리에서 집전체를 타고 탭(tab)까지 이동해야 한다. 셀이 커질수록 이 이동 거리가 늘고, 집전체의 전기저항 때문에 탭 가까운 곳과 먼 곳 사이에 전위 차이가 생긴다. 이 차이가 전류밀도(current density)의 불균일로, 다시 발열과 열화의 불균일로 이어진다.

그래서 이 글이 답하려는 질문은 다음과 같다. 탭에서 멀어질수록 셀 안에서는 무슨 일이 일어나고, 설계와 특허는 그 불균일을 어떻게 다루고 있는가.

② 기본 원리 — 급수관 끝집의 수압이 약한 이유

아파트 단지의 급수관을 떠올려 보자. 본관(탭)에 가까운 집은 수압이 세고, 배관 끝에 있는 집은 약하다. 관이 가늘고 길수록 마찰 손실이 커지기 때문이다. 전극의 집전체가 바로 이 가늘고 긴 관에 해당한다. 알루미늄박과 구리박은 매우 얇기 때문에, 면적이 커질수록 ‘관의 마찰’에 해당하는 저항 손실이 무시할 수 없게 된다.

이 손실은 두 가지 형태로 나타난다. 첫째, 탭에 가까운 영역은 전위 손실이 적어 반응이 먼저, 더 세게 일어난다. 충전 때는 이 영역이 먼저 차고, 방전 때는 먼저 빠진다. 둘째, 전류가 몰리는 곳에서는 줄열(Joule heat)과 반응열이 함께 커져 국부적인 고온 영역(hot spot)이 생긴다. 온도가 높은 곳은 반응 저항이 낮아져 전류를 더 끌어당기므로, 불균일이 스스로 강화되는 구조다.

3차원 전기화학-열 모델을 이용한 연구는 이 현상을 정량화했다. 대형 셀에서 탭 위치를 조정해 긴 전극 안의 전자 이동 손실을 줄이면 사용 가능한 에너지밀도가 크게 높아지며, 전류밀도 편차와 사용 가능 에너지밀도 사이에 정량적 관계가 있다는 분석이 제시되었다[1]. 45Ah급 리튬인산철(LFP, lithium iron phosphate)/흑연 파우치 셀을 다룬 다른 연구는 셀의 종횡비(aspect ratio)가 ‘가장 긴 전류 경로’와 ‘탭 사이 거리’를 바꾸기 때문에 온도 분포에 가장 큰 영향을 준다고 보고했다. 또 저항이 큰 알루미늄 집전체 쪽, 즉 양극 탭의 위치가 최고 온도와 온도 편차를 좌우한다고 분석했다[2].

여기서 이 글의 관점을 한 줄로 정리한다. 대형 셀의 ‘쓸 수 있는 용량’ 가운데 일부는 재료가 아니라 전류 경로의 길이가 결정한다. 같은 소재를 써도 탭 배치에 따라 실제로 꺼내 쓰는 에너지와 수명이 달라진다.

③ 비교 — 탭 배치 방식별 전류 경로와 온도 편차

탭 배치(Tab layout)	최장 전류 경로	셀 내부 온도 편차 경향	근거·수치
기본형 탭(nominal tab, 양·음극 탭이 한 변에 나란히)	길다(탭 반대편 끝까지)	탭 쪽 고온, 반대편 저온	45Ah LFP 파우치 최적화 후 ΔT 1.18°C[3]
대향 탭(counter tab, 양·음극 탭이 서로 반대 변)	상대적으로 짧고 대칭적	분포가 가장 고르게 나오는 편	최적화 후 ΔT 1.12°C, 초기 설계 대비 77.2% 감소[3]
L자형 탭	중간	모서리 쪽 편중 가능	최적화 후 ΔT 1.31°C[3]
장폭 셀 길이방향 양단 인출(전류 방향 = 셀 길이 방향)	셀 길이에 비례해 길어짐	방열 면적은 넓지만 길이방향 구배 관리 필요	정성 비교(특허 명세서 설명)[4]

이 표가 말하는 것: 같은 45Ah 셀에서도 탭 형태를 바꾸고 종횡비·탭 위치를 최적화하면 셀 내부 온도차가 초기 설계 대비 70%대 중후반까지 줄어든다[3]. 탭 배치는 부품 선택이 아니라 셀의 열 성능을 결정하는 1차 설계 변수라는 뜻이다.

④ 특허 관점 — 셀 치수와 팩 공간활용률로 잡고, 전류 경로 해법은 열어둔 청구항

대면적 셀 설계에서 눈여겨볼 특허는 BYD가 보유한 US12113227B2(발명의 명칭: Cell, power battery pack, and electric vehicle)다. 출원인이자 현 권리자는 BYD Co Ltd, 우선일 2019-01-09(중국 출원 6건), 출원일 2019-06-21(국제출원 PCT/CN2019/092349, 미국 출원번호 17/422,084), 등록일 2024-10-08이며 법적 상태는 Active(예상 만료 2040-01-21)로 표시되어 있다[4][5]. 명세서에는 제1 전극 탭을 셀 본체 길이방향 한쪽 끝에, 제2 전극 탭을 반대쪽 끝에 두어 전류 방향이 셀 길이방향과 같아지는 실시예가 설명되어 있다.

청구항 1의 구성요소(재서술)	권리 범위상의 의미
(a) 하우징과, 하우징 안에 배치된 복수의 셀을 포함하는 파워 배터리 팩일 것	대상 한정 — 셀 단독이 아니라 팩 단위 청구
(b) 각 셀 본체는 길이 L, 폭 H, 두께 D를 가지며 L이 H보다, H가 D보다 클 것	형상 한정 — 납작하고 긴 직육면체
(c) L이 600mm를 초과할 것	절대 치수 한정
(d) 셀 본체 부피 V가 953,750mm³ 이상일 것	셀 크기 하한 — 소형 장폭 셀을 배제
(e) L/H가 4~21 범위일 것	종횡비 수치한정
(f) 셀은 알루미늄 케이스를 쓰는 각형 셀일 것	외장 한정 — 파우치·원통형·타 금속 케이스는 문언상 제외
(g) 셀 총부피 V1과 팩 부피 V2의 비(V1/V2)가 55% 이상일 것	팩 공간활용률 한정 — 셀 형상을 팩 구조 성과와 묶는 핵심 한정

눈여겨볼 점은 두 가지다. 첫째, 등록 청구항 1은 셀이 아니라 파워 배터리 팩을 대상으로 하며, 셀 치수(L>600mm, L/H 4~21, 부피 953,750mm³ 이상)와 알루미늄 케이스 각형 셀이라는 외장 조건, 그리고 팩 부피 대비 셀 총부피 55% 이상이라는 공간활용률 조건을 한데 묶는다[5]. 둘째, 청구항 1에는 탭 위치나 전류 경로에 관한 한정이 없다. 셀 길이방향 양 끝에 탭을 두는 양단 인출 구조는 종속항(청구항 15)에서야 한정된다[5]. 즉 이 특허는 ‘불균일을 어떻게 해결하는가’가 아니라 ‘어떤 형상의 셀을 팩에 얼마나 꽉 채우는가’를 먼저 잡아 둔 구조다.

회피 설계 시나리오(반론 포함): 청구항 1의 한정이 많은 만큼 문언상 벗어나는 경로도 여럿이다. ⓐ 셀 길이 600mm 이하 또는 L/H 4~21 밖의 설계, ⓑ 셀 부피 953,750mm³ 미만, ⓒ 알루미늄이 아닌 케이스나 파우치형 셀, ⓓ 팩 공간활용률(V1/V2) 55% 미만 설계는 청구항 1의 범위를 벗어날 가능성이 있다. 반론도 분명하다. ⓐ·ⓓ는 장폭 셀과 모듈 없는 팩 구조가 주는 이점을 스스로 줄이는 선택이고, ⓒ는 외장 재료 변경에 따른 원가·강성 부담을 동반한다. 또 청구항 1이 팩 청구항이라고 해서 셀 공급사가 위험에서 벗어나는 것은 아니다. 고객사 팩이 모든 한정을 충족하면 셀 공급이 간접침해 쟁점으로 이어질 가능성이 있다. 미국 공보 기준 등록 청구항 17개 가운데 독립항은 팩을 대상으로 한 청구항 1 하나다[5]. 셀 내부에 다중 탭을 넣는 식의 전류 경로 ‘개량’은 독자적인 특허 대상이 될 수 있어도 청구항 1의 침해 소지를 없애 주지는 못한다. FTO(침해 여부) 판단은 전체 청구항과 동일 패밀리(Google Patents에 연관 출원으로 표시된 US20220102787A1 등)를 함께 놓고 해야 한다.

유사 특허 크로스체크: 원통형 셀에서는 탭을 없애고 전극 가장자리 전체로 전류를 모으는 방식, 예컨대 테슬라의 탭리스 특허(US11749842B2)가 ‘전류 경로 단축’이라는 같은 문제를 전혀 다른 구조로 풀고 있다. 형상 청구와 집전 구조 청구가 서로 다른 층위에 있다는 점을 포트폴리오 분석 때 구분해 둘 필요가 있다.

⑤ 한계와 전망

낙관적으로 보면, 장폭 셀과 길이방향 양단 인출 구조는 팩 부품 수를 줄이고 셀 한 개당 방열 면적을 넓혀, 셀 대형화의 단점을 구조로 상쇄하는 방향으로 자리 잡을 수 있다[4].

반대 시나리오도 있다. 급속충전처럼 전류가 큰 조건에서는 전류 경로 길이의 불리함이 증폭된다. 셀 길이방향으로 온도와 전류밀도의 구배가 생기면 특정 구간이 먼저 열화될 수 있고, 이 편차는 셀 단위 평균값 시험에서 잘 드러나지 않는다. 셀이 클수록 ‘평균은 정상, 국부는 비정상’인 상태가 길게 숨어 있을 가능성이 있다.

전략적 대안은 셀 평가 지표를 평균 온도에서 셀 내부 온도차(ΔT)로 옮기는 것이다. 연구 결과처럼 종횡비와 탭 위치만으로도 ΔT가 크게 달라지는 만큼[2][3], 셀 구매 사양서와 공급사 비교표에 ΔT 측정 조건(전류, 측정점 위치, 냉각 조건)을 명시하면 대형 셀 간 비교가 훨씬 공정해진다.

확인할 액션(기획·IP 담당자): 검토 중인 장폭 셀과 팩 설계를 US12113227B2 청구항 1의 일곱 가지 한정(L>600mm, L/H 4~21, 셀 부피 953,750mm³ 이상, 알루미늄 케이스 각형, 팩 공간활용률 55% 이상 등)과 1:1로 대조하고, 모두 충족한다면 전체 청구항과 패밀리까지 확장한 FTO 검토 일정을 셀 선정 단계에 포함할 것.

확인이 필요한 항목

• BYD가 실제 양산 중인 장폭 셀과 팩이 US12113227B2 청구항 1의 수치 범위에 해당하는지는 공식 사양으로 확인하지 않았다.
• US12113227B2의 종속항 2~17 각각의 세부 수치는 본문에서 청구항 15(양단 탭)를 제외하고 개별 검토하지 않았다.
• US12113227B2의 중국·유럽·한국 대응 패밀리 구성과 각국 등록 청구항 범위는 이 글에서 확인하지 않았다.
• 연관 출원 US20220102787A1의 청구항 내용은 별도로 검토하지 않았다.
• 본문의 ΔT 수치는 45Ah LFP 파우치 셀 시뮬레이션 결과로, 대형 각형 셀에 그대로 적용된다는 근거는 확인되지 않았다.

출처

1. W. Zhao, G. Luo, C.-Y. Wang, “Effect of tab design on large-format Li-ion cell performance,” Journal of Power Sources 257 (2014) 70–79. 링크
2. J.-J. Lee 외, “The Effect of Tab Attachment Positions and Cell Aspect Ratio on Temperature Difference in Large-Format LIBs Using Design of Experiments,” Energies 14(1) 116 (2021). 링크
3. J.-J. Lee 외, “Design optimization of tab attachment positions and cell aspect ratio to minimize temperature difference in 45-Ah LFP large-format lithium-ion pouch cells,” Applied Thermal Engineering 182 (2021) 116143. 링크
4. Google Patents, US12113227B2 「Cell, power battery pack, and electric vehicle」 서지사항(2026-09-23 원문 확인). 링크
5. Justia Patents, US 12,113,227 등록 청구항 1 및 출원 정보(2026-09-23 확인). 링크

이 글은 기술·특허 동향 해설이며 법률 자문이 아닙니다. 구체적인 FTO 판단은 전문가 검토가 필요합니다.